影響球磨機用電效率的關(guān)鍵因素分析

影響球磨機用電效率的關(guān)鍵因素分析

1球磨機轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)速的變化在研磨工藝中，主要的研磨設(shè)備是球磨機。不同的球磨機基本相同。它們是低速搬運設(shè)備，需要一定的恒旋轉(zhuǎn)，以滿足球磨機裝載量的要求。球磨機筒體的轉(zhuǎn)速太低或太高,都會降低鋼球?qū)ξ锪系难心バ?。球磨機轉(zhuǎn)速較低時,鋼球和物料隨筒體內(nèi)壁上升,當鋼球和物料的傾角等于或大于自然傾角,鋼球沿斜面滑下不能形成足夠的落差,鋼球?qū)ξ锪系哪ニ樽饔煤苄?這種情況效率很低;如果筒體的轉(zhuǎn)速很高時,由于離心力的作用,以致物料和鋼球不再脫離筒壁,而隨其一同旋轉(zhuǎn),這時鋼球沒有撞擊作用,物料只受到輕微的研磨,效率也很低。因此,球磨機料筒的轉(zhuǎn)速要求恒定。要考慮球磨機變頻調(diào)速節(jié)能,其轉(zhuǎn)速變化的范圍也不大,且可能使球磨的時間增長,節(jié)能的效果不明顯。電動機作為球磨機電力傳動方式的生產(chǎn)機械,其功率是按最大負荷或長期額定負荷選擇的,而絕大部分工作時間設(shè)備不能滿載運行,特別是用于塑料粉末生產(chǎn)的球磨機采用滑差調(diào)速電機拖動,其電機始終工作在滿電壓、滿速度狀態(tài),負載滿載率卻經(jīng)常很小。針對球磨機工作特點和要求,本文分析影響球磨機用電效率的關(guān)鍵因素,研究球磨機節(jié)能策略,提出以旁路雙斜坡軟啟動的控制方法;以輕載降壓調(diào)整球磨機電機的輸入電壓,控制其輸入功率,實現(xiàn)“所供即所需”的球磨機制粉電動機運行效率的最優(yōu)化。2節(jié)能策略的機制2.1簡化等價電路球磨機電機在同一負載P2下運行于端電壓為UpN和Upx的效率比為ηNηx=UpxI′pcosφ′UpNIpcosφ(1)ηΝηx=UpxΙ′pcosφ′UpΝΙpcosφ(1)由三相異步電動機在某一負載下運行的簡化等值電路有Z=(R1+R′2s)2+(X1+X′2)2?????????????????????√≈KR′2s(2)Ζ=(R1+R′2s)2+(X1+X′2)2≈ΚR′2s(2)式中:s為轉(zhuǎn)差率。球磨機電機在同一負載P2下運行于端電壓為UpN和Upx的相電流比:IpI′p≈sxUpNs′xUpx(3)ΙpΙ′p≈sxUpΝs′xUpx(3)則式(1)表示為ηNηx=UpxI′pcosφ′UpNIpcosφ=U2pxs′xcosφ′U2pNsxcosφ(4)ηΝηx=UpxΙ′pcosφ′UpΝΙpcosφ=Upx2s′xcosφ′UpΝ2sxcosφ(4)因此,影響球磨機電機效率的因素有:電壓、轉(zhuǎn)差率及功率因數(shù)。2.2電機轉(zhuǎn)速、增轉(zhuǎn)差模型由電動機功率因數(shù):cosφ=cosφN1+3(K0Ku)2(1β2?13?Ku)√(5)cosφ=cosφΝ1+3(Κ0Κu)2(1β2-13-Κu)(5)式中:cosφN為電動機額定功率因數(shù);K0,Ku分別為額定空載電流與額定電流比和下降后的電壓與額定電壓比;β為負載系數(shù)。由式(5)可見,輕載電動機降壓可提高功率因數(shù),另一方面,輕載恒壓供電方式使電動機增速,轉(zhuǎn)差率變小,在此基礎(chǔ)上降壓又使電動機減速,提高電動機的轉(zhuǎn)差率。球磨機電機在負荷下降時,要降壓提效,只有U2pNpΝ2sxcosφ>U2pxpx2s′xcosφ′才能實現(xiàn)。2.3電機轉(zhuǎn)速tn球磨機屬于恒轉(zhuǎn)矩負載,采取降壓節(jié)能后,由于電動機轉(zhuǎn)矩與其端電壓的平方成正比,球磨機電動機轉(zhuǎn)矩下降,電動機端電壓所降低的幅值受球磨機能否帶動負載正常運行的制約。由異步電動機機械特性知:電動機最大轉(zhuǎn)矩與其端電壓的平方成正比,導出:TxTN=U2pxsxU2pNsN(7)ΤxΤΝ=Upx2sxUpΝ2sΝ(7)式中:TN,Tm和Tx分別為電動機的額定轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩和電動機輕載降壓時轉(zhuǎn)矩;UpN和UP分別為電動機端額定相轉(zhuǎn)差率電壓和輕載降壓后的相電壓;sM,sN和sx分別為電動機臨界轉(zhuǎn)差率、額定轉(zhuǎn)差率和輕載降壓后的轉(zhuǎn)差率。為了保證球磨機電機端電壓降到最低時的最大轉(zhuǎn)矩TNM能帶動負載正常運行,必須滿足:Txm=U2pxU2pN?TMm≥TN?Upx≥TNTMm????√?UpN(8)Τxm=Upx2UpΝ2?ΤΜm≥ΤΝ?Upx≥ΤΝΤΜm?UpΝ(8)可見,球磨機電機端電壓所能降到的最低電壓值為U′px=TNTMm????√?UpN=1Kλ???√?UpN(9)U′px=ΤΝΤΜm?UpΝ=1Κλ?UpΝ(9)式中:Kλ為球磨機電機的過載能力。3電機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)球磨機節(jié)能策略與控制方法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。球磨機節(jié)能策略控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由3部分組成:軟啟動、主回路、控制回路。球磨機啟動時,電機采用電壓斜波啟動;電動機輕載運行時維持電壓、電流的相位差在一定的水平;系統(tǒng)出現(xiàn)故障時以市電運行,形成一個完整的電控系統(tǒng)。3.1減少減少球磨機平均電壓下降至最低電壓球磨機輕載降壓節(jié)能控制方法是在控制系統(tǒng)中的主回路采用雙向晶體管相控調(diào)壓,控制回路由雙閉環(huán)構(gòu)成,外環(huán)通過對取自三相電網(wǎng)的同步信號過零檢測,與代表電機電流過零的晶體管上電壓比較,形成電流滯后電壓角度φ,讓實測的角度φ與給定的功率因數(shù)角φN相比較,差值信號進行調(diào)節(jié),產(chǎn)生晶體管移相觸發(fā)角α;內(nèi)環(huán)通過晶體管相控輸出電壓值Upx與最低電壓值U′px相比較,以不低于U′px為信號,參與晶體管移相觸發(fā)角α的修正,以保證球磨機電動機端電壓降到最低時,其轉(zhuǎn)矩能帶動負載,系統(tǒng)正常穩(wěn)定運行。利用電動機負載變化時電流滯后電壓角度發(fā)生變化機理,將檢測出的電流滯后電壓角度作為信號去控制晶體管的導通角,從而控制球磨電機的端電壓,使加在電機上端電壓跟隨負載變化而變化,而使功率因數(shù)能保持在一個恒定的值上,電動機轉(zhuǎn)速幾乎不變的球磨機輕載降壓節(jié)能控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。3.2各能量狀態(tài)下的轉(zhuǎn)子節(jié)能作用電動機的能耗包括定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅耗、摩擦損耗、鐵耗、雜耗及有效功率。其中定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅耗和鐵耗可以通過供給球磨電機電源電壓的合理調(diào)控,在滿足負載有效功率需求前提下,使定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅耗和鐵耗減小。將維持球磨機工作的定子電流分解為直角坐標系下兩個垂直分量:阻性電流IR1分量及感性電流IM1分量。感性電流分量依賴于電壓和磁通密度,在額定電壓下,磁場消耗的能量保持恒定,與負載所需的轉(zhuǎn)矩無關(guān)。支持負載轉(zhuǎn)矩的能量取決于阻性電流IR1分量,在滿電壓情況下負載轉(zhuǎn)矩變化引起的定子電流變化實質(zhì)是阻性電流IR1的變化,隨著負載轉(zhuǎn)矩的減小,功率因數(shù)角隨之增大。圖3為恒壓供電方式下球磨機電機定子電壓電流矢量圖。由于電機運行在恒壓供電方式,所以電機的磁場耗能維持不變,即感性電流IM1分量維持不變,隨著負載減小,阻性電流分量IR1隨之減小,這就是電動機輕載低功率因數(shù)的原因。當負荷發(fā)生變化時,對異步電動機采用降壓恒功率因數(shù)供電方式,通過調(diào)整供電電壓來調(diào)整感性電流IM1分量,不僅能夠減少鐵耗,還可減少定子、轉(zhuǎn)子的銅耗,從而達到節(jié)能的目的。圖4為負荷變化時變壓恒功率因數(shù)供電方式下定子電壓電流關(guān)系矢量圖。球磨機電機輕載運行時維持電壓、電流的相位差在一定數(shù)值上,始終將功率因數(shù)保持在某一較高的恒定水平,減少了無功功率,降低了線路壓降和電動機本身電能損耗,提高了用電效率。3.3雙斜坡軟啟動的啟動策略球磨機電動機啟動時,啟動電流約為6～8倍額定電流。不但電能損耗十分驚人,而且啟動時會對電機和供電電網(wǎng)造成嚴重的沖擊,造成電網(wǎng)電壓的波動,對電網(wǎng)容量要求過高,另外,啟動時所產(chǎn)生的大電流和激烈振動對電機以及設(shè)備的機械使用壽命也有極大影響。球磨機采用軟啟動后,可以有效地將啟動電流限制在一定的波動范圍內(nèi),從而大大降低啟動損耗、有效地減小采用軟啟動前電動機對設(shè)備的機械沖擊和對電網(wǎng)大電流沖擊。根據(jù)球磨機的機械特性,啟動策略采用旁路雙斜坡軟啟動,圖5是雙斜坡軟啟動的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。輸出電壓先迅速升至電動機啟動所需的最小轉(zhuǎn)矩所對應(yīng)的電壓值U,然后按設(shè)定的速率逐漸升壓,直至達到額定電壓。初始電壓及電壓上升率可根據(jù)負載情況調(diào)整。雙斜坡軟啟動的特點是啟動轉(zhuǎn)矩相對較大,啟動時間相對較短,適用于球磨機的啟動要求。當啟動完畢,甩開雙斜坡軟啟動設(shè)備,以避免不必要的電能損耗。4不同負荷系數(shù)時的節(jié)能效果利用該系統(tǒng)對一臺3.0kW的JO系列的4極電機進行實驗。從表1的實驗數(shù)據(jù)可以看出,相比使用本系統(tǒng)前,電機在額定負載附近節(jié)能運行時,其效率和功率因數(shù)變化不大,說明此時節(jié)能效果不明顯;隨著負荷系數(shù)的降低,電機的運行效率逐漸得以提高,功率因數(shù)增加更為顯著。這種節(jié)能策略可以使異步電動機在不同的負載下均呈現(xiàn)出較高的高功率因數(shù)。在實際應(yīng)用中,隨著定子電壓的降低,異步電動機的轉(zhuǎn)矩會減小。所以采取降壓措施節(jié)能時,降壓行為還受到電機能否帶動負載正常運行的制約。為保證電機所具有的電磁轉(zhuǎn)矩必須能克服空載轉(zhuǎn)矩且?guī)迂撦d正常運行,需要對其進行轉(zhuǎn)矩校驗。5球磨機節(jié)能提效技術(shù)電機控制是一個非線性控制問題,變頻器在基頻以下調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速可節(jié)能,節(jié)能的幅度與調(diào)速